Автономная микро-тэц на газовом топливе с использованием свободнопоршневого двигателя стирлинга

Изобретение относится к области теплоэлектроэнергетики и предназначено для обеспечения потребностей в тепле и электроэнергии в производственных и жилых помещениях при отсутствии электропитания от сети. Техническим результатом является повышение надежности и эффективности установки путем улучшения динамической устойчивости системы при переходных режимах, возникающих при скачках электрической или тепловой нагрузок, а также повышение КПД. Сущность изобретения заключается в том, что устройство включает модуль электрогенерирующего устройства (18), в состав которого входит двигатель Стирлинга (1), основная газовая горелка (2) для подвода тепловой энергии к головке двигателя (1), синхронный линейный генератор с постоянными магнитами (3), интегрированный в корпус двигателя (1), настроечная резонансная емкость (11) на выходе линейного генератора (3) и система охлаждения (10) двигателя (1); модуль преобразовательной силовой электроники (19), в состав которого входит инвертор (5), выпрямитель (7), накопитель электрической энергии (4) и общая шина переменного тока (6), к которой подключена настроечная емкость (11) модуля электрогенерирующего устройства (18); модуль теплогенерирующего устройства (20), в состав которого входит теплогенератор (12), дополнительная газовая горелка (13) и аварийный охладитель (14); модуль регулируемой балластной нагрузки (9), подключенный к общей шине переменного тока (6) модуля преобразовательной силовой электроники (19); систему автоматического управления (17), сигналы которой обеспечивают управление вышеуказанными модулями (18), (19), (20), (9), выполненную с возможностью контроля тока и напряжения линейного генератора (3), температуры тепловой головки двигателя Стирлинга (1) и управления включением линейного генератора (3) в функции температурного режима тепловой головки двигателя Стирлинга (1). 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области теплоэлектроэнергетики и предназначено для обеспечения потребностей в тепле и электроэнергии в производственных и жилых помещениях при отсутствии электропитания от сети.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Существует много областей применения для установок одновременного производства тепла и электроэнергии малой мощности, способных работать автономно в отдаленных районах в течение длительного времени. В настоящее время предпочтение отдается использованию свободнопоршневого двигателя Стирлинга в качестве основного устройства в таких установках. Он обладает рядом преимуществ. В первую очередь, является герметизированным агрегатом, который не нуждается в техническом обслуживании и работает синхронно, обеспечивая стабильную отдаваемую мощность при низком уровне шума и вибрации. Также двигатель Стирлинга обладает большим ресурсом работы без обслуживания, так как не требуется масляная смазка, отсутствует шатунно-кривошипный механизм и редуктор.

Из уровня техники известны автономные многофункциональные энергетические установки (RU 2162532 С1, опубл. 27.01.2001, RU 2450148 С2, опубл. 10.06.2010, EP 3124878 А1, опубл. 01.02.2017, CN 105443267 А, опубл. 30.03.2016), включающие двигатель Стирлинга с электрогенератором, линию подачи топлива, систему охлаждения двигателя, связанную через теплообменник с системой внешнего теплоснабжения. При этом данные установки обладают значительной сложностью конструкции и требуют повышенных энергозатрат на собственные нужны.

Также известна автономная энергогенерирующая система (RU 2448260 С1, опубл. 20.04.2012), включающий в себя котел с магистралями подвода горючего (газа) и окислителя (воздуха), контур теплоносителя, генератор электрической энергии, в качестве привода которого используется двигатель Стирлинга. Система выполнена с возможностью преобразования энергии пара рабочего тела на приводе через генератор в электрическую энергию, которая подается как в сеть потребителей постоянного тока, так в аккумулирующий блок и через инвертор - в сеть потребителей переменного тока. Вырабатываемая электроэнергия поступает потребителям, а избыток - в аккумулирующий блок и на клеммы инвертора, преобразующего постоянный ток в переменный напряжением 220 В. Указанная система обладает сложной конструкцией, требующей применения несколькоих приводов для систем собственных нужд, а также в ней отсутствует динамическая устойчивость при переходных процессах.

Наиболее близким аналогом по технической сущности является комбинированное устройство для обеспечения электрической и тепловой энергией с использованием свободнопоршневого двигателя Стирлинга и дополнительного теплообменника с подводом газообразных продуктов сгорания от основной горелки двигателя и дополнительной горелки (US 7459799 В2, опубл. 02.12.2008). Упомянутая система содержит двигатель Стирлинга, в состав которого входит горелка для подвода тепловой энергии к головке двигателя для приведения в действие элемента, совершающего возвратно-поступательное движение и обеспечивающего выработку электроэнергии посредством генератора переменного тока, и систему пуска, включающую средство контроля для управления пуском агрегата, воспламенитель для зажигания горелки, импульсный генератор для подачи электрического импульса к генератору для пуска элемента, совершающего возвратно-поступательное движение, когда средство контроля определяет, что головка двигателя достигает пороговой температуры, и местный ограниченный источник электропитания (аккумулятор) для снабжения электроэнергией средства контроля, воспламенителя и импульсного генератора во время операции пуска. Для подачи электрического импульса к генератору для пуска двигателя в известном решении необходимо использовать импульсный генератор, который обеспечивает посылку в статорную обмотку генератора пачки импульсов с частотой 50 Гц с длительностью пачки до 1 с.

При этом известное устройство обладает невысоким КПД использования теплового потенциала сжигаемого топлива и недостаточной гибкостью системы при перераспределении тепловой и электрической энергии.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей представленной изобретением является создание микро-ТЭЦ, вырабатывающей тепловую и электрическую энергии при отсутствии внешней сети переменного тока. При использовании данной установки должно достигаться улучшение динамической устойчивости системы при переходных режимах, возникающих при скачках электрической или тепловой нагрузок, а также повышение КПД устройства по сравнению с существующими аналогами.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности и эффективности установки.

Технический результат достигается за счет того, что автономная микро-ТЭЦ на газовом топливе с использованием свободнопоршневого двигателя Стирлинга, которая обеспечивает тепловую и электрическую энергию, включает модуль электрогенерирующего устройства (18), в состав которого входит двигатель Стирлинга (1), основная газовая горелка (2) для подвода тепловой энергии к головке двигателя (1), синхронный линейный генератор с постоянными магнитами (3), интегрированный в корпус двигателя (1), настроечная резонансная емкость (11) на выходе линейного генератора (3) и система охлаждения (10) двигателя (1); модуль преобразовательной силовой электроники (19), в состав которого входит инвертор (5), выпрямитель (7), накопитель электрической энергии (4) и общая шина переменного тока (6), к которой подключена настроечная емкость (11) модуля электрогенерирующего устройства (18), модуль теплогенерирующего устройства (20), в состав которого входит теплогенератор (12), дополнительная газовая горелка (13) и аварийный охладитель (14); модуль регулируемой балластной нагрузки (9), подключенный к общей шине переменного тока (6) модуля преобразовательной силовой электроники (19); систему автоматического управления (17), сигналы которой обеспечивают управление вышеуказанными модулями (18), (19), (20), (9), выполненную с возможностью контроля тока и напряжения линейного генератора (3), температуры тепловой головки двигателя Стирлинга (1) и управления включением линейного генератора (3) в функции температурного режима тепловой головки двигателя Стирлинга (1).

Кроме того, накопителем электрической энергии (4) является аккумуляторная батарея.

Кроме того, аккумуляторная батарея подключена на вход инвертора (5) и выход выпрямителя (7), а выход инвертора (5), вход выпрямителя (7) подключены к общей шине переменного тока (6).

Кроме того, полезная электрическая нагрузка (8) подключена к общей шине переменного тока (6) модуля преобразовательной силовой электроники (19).

Обеспечение автономной работы системы при отсутствии внешней сети переменного тока достигается за счет включения параллельно общей шины переменного тока инвертора с синусоидальным выходным напряжением, непрерывно работающим от энергии аккумулятора (накопителя) и обеспечивающим запуск по сигналу с контроллера САУ и синхронизацию линейного генератора, интегрированного в двигатель Стирлинга.

Повышение КПД устройства по сравнению с аналогами достигается за счет того, что электрическая нагрузка переменного тока подключается непосредственно к шине переменного тока без каких-либо преобразователей. Преобразователи энергии блока силовой электроники (инвертор и выпрямитель) в электроснабжении нагрузки энергетически не участвуют. Их работа обеспечивает только целостность системы, запуск и синхронность работы генератора.

В зависимости от направления генерируемой энергии в данной системе модуль преобразовательной силовой электроники выполняет функции как инвертора, так и зарядного устройства, что позволяет расширить функциональную устойчивость.

Использование инвертора позволяет покрывать редкие пиковые перегрузки на общей шине переменного тока, что улучшает динамическую устойчивость системы при переходных процессах.

Использование балластной нагрузки позволяет обеспечить постоянство потребляемой мощности на выходе генератора модуля электрогенерирующего устройства. Для обеспечения поддержания баланса мощностей, особенно в переходных режимах, осуществляется регулирование величины балластной нагрузки модулем регулирования балластной нагрузки.

Использование аварийного охладителя в замкнутой системе охлаждения, осуществляющей охлаждение двигателя и генератора, позволяет обеспечить адаптивность работы микро-ТЭЦ при сбросе тепловой нагрузки.

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

Рт1 – тепловая мощность основной газовой горелки

Рт2 – тепловая мощность дополнительной газовой горелки

Рвыхл.1 – тепловая мощность, уносимая выхлопными газами основной горелки

Р выхл.2 - тепловая мощность, уносимая выхлопными газами всей установки

Рсо – тепловая мощность системы охлаждения

Рао – тепловая мощность аварийного охладителя

Ртн – мощность тепловой нагрузки

Рмех – механическая мощность, развиваемая двигателем

Рэл – электрическая мощность генератора

Ри – электрическая мощность, потребляемая от инвертора

Рв - электрическая мощность, потребляемая выпрямителем в накопитель (АБ)

Рзу - электрическая мощность зарядного устройства

Раб - электрическая мощность, потребляемая от АБ

Рэн - электрическая мощность полезной нагрузки

Рб – электрическая мощность балластной нагрузки

1 Термодинамический преобразователь (двигатель Стирлинга)

2 Основная газовая горелка двигателя Стирлинга (тепловая энергия сгорания газа)

3 Электромеханический преобразователь (линейный генератор)

4 Накопитель электрической энергии (аккумуляторная батарея)

5 Преобразователь рода напряжения (инвертор)

6 Сумматор мощностей переменного тока (общая шина)

7 Преобразователь рода тока (выпрямитель)

8 Электрическая нагрузка

9 Модуль регулируемой балластной нагрузки (МРБН)

10 Система охлаждения двигателя/генератора

11 Настроечная резонансная емкость

12 Теплогенератор

13 Дополнительная газовая горелка теплогенератора

14 Аварийный охладитель (АО)

15 Дымоход

16 Тепловая нагрузка (ТН)

17 Система автоматического управления (САУ)

18 Модуль электрогенерирующего устройства (МЭГУ)

19 Модуль преобразовательный силовой электроники (МПСЭ)

20 Модуль теплогенерирующего устройства (МТГУ)

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 предоставлена структурная схема микро-ТЭЦ, представляющей собой автономную установку для одновременного производства электроэнергии и тепла.

Микро-ТЭЦ в общем включает модуль электрогенерирующего устройства (18), модуль теплогенерирующего устройства (20), модуль преобразовательный силовой электроники (19), модуль регулируемой балластной нагрузки (9) и систему автоматического управления (17), сигналы которой обеспечивают управление вышеуказанными модулями (18), (19), (20), (9).

Модуль электрогенерирующего устройства (18) включает свободнопоршневой двигатель Стирлинга (1), основную газовую круговую горелку (2) для подвода тепловой энергии к головке двигателя, синхронный линейный генератор с постоянными магнитами (3), интегрированный в корпус двигателя для обеспечения электроэнергией, настроечную резонансную емкость (11) на выходе генератора (3) и систему охлаждения двигателя (10).

Первичным источником энергии предлагаемой автономной микро-ТЭЦ является тепловая энергия Рт1, которая создается за счет сгорания топлива внешнего подвода к установке, и реализованная на круговой газовой горелке (2), входящей в состав двигателя Стирлинга (1). Топливом для этой горелки является горючий газ, который смешивается с воздухом (окислителем).

В общем, система для подвода тепловой энергии к головке двигателя (1) включает круговую газовую горелку конфорочного типа с инжекцией горючей смеси (2) и (не показаны на фиг.1) смеситель (трубка Вентури) для подготовки газовоздушной смеси; вентилятор наддува для подачи воздуха на горение и регулирования количества газовоздушной смеси; клапанную сборку, состоящую из двух отсечных газовых клапанов и мембранного регулятора расхода газа с пневматической обратной связью от смесителя Вентури для регулирования расхода газа; контроллер безопасности, управляющий процессом розжига и обеспечивающий контроль пламени с помощью ионизационного датчика пламени; искровой разрядник системы поджига газовой смеси и импульсный высоковольтный трансформатор.

Поток смеси подается в основную горелку (2) вентилятором, что приводит в действие двигатель Стирлинга способом, хорошо известным из уровня техники, для выработки электропитания от линейного генератора переменного тока (3).

Для приведения в действие микро-ТЭЦ стремятся использовать, главным образом, снабжение бытовым газом, который является наиболее распространенным источником топлива. Однако могут быть также использованы другие горючие газы, как, например, сжиженный нефтяной газ, сжиженный природный газ или биогаз либо жидкое топливо.

Собственно двигатель Стирлинга (1) является термодинамическим преобразователем тепловой энергии в механическую энергию Рмех возвратно-поступательного движения.

Синхронный линейный генератор (3), интегрированный в корпус двигателя (1), является электромеханическим преобразователем и обеспечивает электрическую энергию переменного тока Рэл. Синхронный линейный генератор (3) вырабатывает переменное напряжение 230 В с частотой 50 Гц за счет возвратно-поступательного движения индуктора с постоянными магнитами относительно неподвижной обмотки статора.

Настроечная резонансная емкость (11) на выходе генератора (3) настроена на частоту 50 Гц, что обеспечивает коррекцию коэффициента мощности модуля генерации, компенсируя падение напряжения на индуктивности статорной обмотки линейного генератора (3).

Настроечная емкость (11) подключена к общей шине переменного тока (6). Так как электрическая нагрузка (8) подключается непосредственно на выход генератора (3) через настроечную емкость (11), минуя преобразовательные устройства инвертора (5) и выпрямителя (7), то такое подключение позволяет повысить КПД устройства.

Модуль теплогенерирующего устройства (20) включает дополнительную газовую горелку (13), теплогенератор (12), подключенный к аварийному охладителю (14) и выполненный с возможностью подключения к тепловой нагрузке (16).

От двигателя (1) модуля электрогенерирующего устройства (18) тепло отводится системой охлаждения (10), которая, по существу, является теплообменником, через который насосом (на схеме не показан) прокачивают воду по трубопроводу (на схеме не показан) в теплогенератор (12) модуля теплогенерирующего устройства (20). Система охлаждения (10), в общем, состоит из трубопроводов местной системы охлаждения и запорной арматуры. Входной и выходной патрубки системы охлаждения (10) снабжены датчиками контроля температуры (терморезисторы), на входном патрубке установлен также датчик расхода охлаждающей жидкости. Температура входной воды не ниже +6°С, а температура на выходе системы охлаждения не выше +75°С.

Модуль преобразовательной силовой электроники (19) включает инвертор (5), выпрямитель (7), накопитель электрической энергии (4) и общую шину переменного тока (6), к которой подключен выход модуля электрогенерирующего устройства (18). Накопителем электрической энергии (4) является аккумуляторная батарея, которая выполняет функцию накопителя электрической энергии и подключена на вход инвертора (5) и выход выпрямителя (7). Выход инвертора (5), вход выпрямителя (7) подключены, в свою очередь, к общей шине переменного тока (6).

Аккумуляторная батарея может отдавать накопленную электрическую энергию постоянного тока Раб через преобразователь рода напряжения DC/AC – инвертор (5) в общую шину переменного тока (6).

Модуль регулируемой балластной нагрузки (9) и полезная электрическая нагрузка (8) подключены к общей шине переменного тока (6) модуля преобразовательной силовой электроники (19).

Система автоматического управления (17) содержит контроллер двигателя (1), контроллеры основной (2) и дополнительной (13) газовых горелок, платы управления модулями электрогенерирующего устройства (18), теплогенерирующего устройства (20), преобразовательный силовой электроники (19) и регулируемой балластной нагрузки (9), обеспечивающие необходимый алгоритм работы всей системы. Причем контроллер двигателя (1) выполнен с возможностью контроля тока, частоты и напряжения линейного генератора (3), температуры тепловой головки двигателя Стирлинга (1), управления включением линейного генератора (3) в функции температурного режима тепловой головки двигателя Стирлинга (1).

На контроллер двигателя (1) поступают следующие сигналы с датчиков, интегрированных в корпус двигателя Стирлинга (1): измеренные действующие значения тока, напряжения и частоты на выходе генератора (3); текущая (контролируемая) и предельная температура тепловой головки двигателя Стирлинга (1) (сигналы термопар); температура корпуса двигателя (1) (терморезистор).

Кроме этого, в контроллер двигателя (1) поступают дополнительные сигналы с внешних датчиков: температура окружающей среды (терморезистор); температура на входе и выходе системы охлаждения (10) (терморезисторы); скорость обмена (расход) охладителя; сигнал тахометра вентилятора подачи воздуха.

Контроллер двигателя (1) вырабатывает следующие сигналы и осуществляет функции:

- включения контроллера газовой горелки;

- управления вентилятором (питанием двигателя вентилятора);

- стартовый импульс для запуска двигателя Стирлинга (1) при достижении определенной температуры тепловой головки двигателя Стирлинга (1);

- контролирует текущую температуру тепловой головки двигателя Стирлинга (1);

- определяет текущую выходную электрическую мощность с линейного генератора (3) модуля электрогенерирующего устройства (18);

- формирует сигнал о выходе системы микро-ТЭЦ на номинальный режим.

Кроме того, система автоматического управления (17) контролирует потребление тепловой энергии тепловой нагрузкой (16), при сбросе которой включается в работу аварийный охладитель (14), и регулирует режим работы балластной нагрузки (9) при сбросе электрической нагрузки (8).

Общая шина условно представлена сумматором мощностей (6), на один вход которого поступает электрическая мощность генератора (3) Рэл, на второй вход поступает электрическая мощность инвертора (5) Ри, третий вход сумматора Рв подключен к преобразователю рода тока – выпрямителю (7), который выполняет функцию зарядного устройства, подзаряжая накопитель – аккумуляторную батарею (4) мощностью Рзу, и четвертый вход сумматора Рн подключен к полезной электрической нагрузке Рэн (8) и блоку балластной нагрузки Рб (9), так что суммарная электрическая нагрузка будет составлять Рн=Рэн+Рб.

Общий баланс электрических мощностей на общей шине переменного тока можно записать в следующем виде: Рэл+Ри-Рн-Рв=0.

Если Рн≥Рэл, то инвертор (5) отдает дополнительную мощность Ри в общую шину, потребляя энергию накопителя Раб, и нагрузка питается от энергии генератора (3) и инвертора (5).

Если Рн≤Рэл, то выпрямитель (7) обеспечивает подзаряд аккумуляторной батареи (4) частью мощности генератора Рэл (3). При этом инвертор (5) выполняет только функцию источника опорного напряжения для общей шины переменного тока (6).

Назначение балластной нагрузки заключается в обеспечении постоянства потребляемой мощности на выходе генератора (3) модуля электрогенерирующего устройства (18). Чем больше ток полезной нагрузки (8), тем меньше ток балластной нагрузки (9). Мощность Рэл, вырабатываемая генератором (3), распределяется между полезной (8) Рн и балластной нагрузками (9) Рб и должна оставаться постоянной как в установившихся, так и переходных процессах (при набросе или сбросе полезной нагрузки).

,

где Рэл – мощность на выходе генератора (3); Рэн – мощность полезной нагрузки; Рб – мощность балластной нагрузки; Рсн – мощность собственных нужд (питание насоса, вентилятора, вторичного источника питания и прочее).

Работа автономной микро-ТЭЦ осуществляется следующим образом.

После получения сигнала о завершении диагностики состояния модулей микро-ТЭЦ система автоматического управления (17) разрешает подачу электропитания от аккумуляторной батареи (4) на контроллер газовой горелки (2), входящий в состав системы автоматизированной системы управления (17), который включает вентилятор наддува для подачи воздуха на горение, и через некоторое время включается газовый клапан системы для подвода тепловой энергии с мощностью Рт1 модуля электрогенерирующего устройства (18).

Одновременно с этим с контроллера газовой горелки (2) на блок поджига подается импульсный сигнал зажигания газовой смеси. При успешном поджиге возникает сигнал наличия пламени и начинается рост температуры тепловой головки двигателя (1). При достижении тепловой головкой значения температуры разрешения пуска ( + 170… 210 °C) по сигналу с контроллера двигателя (1), входящего в состав системы автоматизированного управления (17), статорная обмотка линейного генератора (3) через настроечную резонансную емкость (11) подключается к общей шине переменного тока (6), что вызывает возвратно-поступательное движение индуктора линейного генератора (3). Время выхода на требуемый тепловой режим составляет до 2 минут в зависимости от температуры окружающей среды.

По мере увеличения температуры тепловой головки двигателя (1) растет электрическая мощность на выходе линейного генератора (3), и через 8 минут при достижении температуры тепловой головки 550°C система выходит на номинальную мощность 1 кВт.

Охлаждение двигателя (1) и линейного генератора (3) осуществляется от замкнутой системы охлаждения, снабженной аварийным охладителем (14) свободно-конвективного типа.

От двигателя (1) модуля электрогенерирующего устройства (18) тепло отводится системой охлаждения (10), через которую по трубопроводу воду прокачивают в теплогенератор (12) модуля теплогенерирующего устройства (20). Вода, проходящая через систему охлаждения (10), затем дополнительно нагревается в теплогенераторе (12) газообразными продуктами сгорания Рвыхл.1 от основной горелки двигателя (2), которая нагревает тепловую головку двигателя Стирлинга (1). Тепловая энергия Ртн обеспечивается теплогенератором (12).

Без некоторой потребности в отходящем тепле двигатель Стирлинга (1) не может работать, так как температура воды на входе системы охлаждения двигателя (10) должна быть ниже, чем на выходе. На контроллер двигателя (1) поступают сигналы от датчиков контроля температуры, установленных на входном и выходном патрубках системы охлаждения (10).

Для сброса выработанного тепла может быть использована теплоемкость радиаторов местной системы отопления, входящих в состав замкнутой системы охлаждения. Но в тех случаях, когда радиаторы отключены, а горячая вода не требуется, температура воды будет постепенно повышаться. В этом случае автономность работы микро-ТЭЦ будет обеспечиваться использованием аварийного охладителя (14) для сброса тепла. В случае, когда температура воды на выходе системы охлаждения (10) будет ниже, чем на входе, то с платы управления модулем теплогенерирующего устройства (20) поступает сигнал о включении аварийного охладителя (14).

Таким образом, автономная микро-ТЭЦ вырабатывает отдаваемую электрическую мощность Рэл и тепловую мощность Ртн, которые могут быть использованы, например, для обеспечения бытовой потребности в электричестве и горячей воде или для питания системы центрального отопления либо для того и другого.

Для того чтобы обеспечить дополнительный нагрев и создать некоторую степень независимости для нагрева воды в модуле теплогенерирующего устройства (20), когда двигатель Стирлинга (1) не работает на полную электрическую мощность, предусмотрена дополнительная горелка (13) для нагрева воды в теплогенераторе (12), работающая аналогично основной газовой горелке (2). На контроллер дополнительной газовой горелки (13) подается управляющий сигнал системой автоматического управления (17), который включает вентилятор наддува для подачи воздуха, который смешивается с подаваемым в горелку (13) газом. Через некоторое время включается газовый клапан системы для подвода тепловой энергии с мощностью Рт2 модуля теплогенерирующего устройства (20).

Газообразные продукты сгорания с тепловой мощностью Рвыхл.1 от основной горелки (2) двигателя (1) и дополнительной горелки (13) теплогенератора (12) с тепловой мощностью Рт2, которые отдали свое тепло в теплогенераторе (12), затем выводятся в атмосферу по дымоходу (15) с тепловой мощностью Рвыхл.2.

Согласование работы модулей теплогенерирующего устройства (20) и электрогенерирующего устройства (18) осуществляется следующим образом.

Когда потребности в тепле и электроэнергии велики, включается дополнительная газовая горелка (13) модуля теплогенерирующего устройства (20). При этом двигатель (1) модуля электрогенерирующего устройства (18) будет работать при максимальной температуре тепловой головки, обеспечиваемой основной газовой горелкой (2). Электрическая энергия в данном случае будет расходоваться на питание нагрузки (8) и заряд аккумулятора (4).

С другой стороны, потребность в тепле может быть низкой, в то время как потребность в электроэнергии - высокая. В этом случае дополнительная газовая горелка (13) либо отключается, либо не включается вовсе.

В тех случаях, когда имеется потребность в тепле и малая потребность в электрической энергии, двигатель Стирлинга (1) должен работать для выработки достаточной мощности (приблизительно 200 Вт) для собственных нужд микро-ТЭЦ (питания обслуживающих устройств, цепей регулирования, насосов и вентиляторов). Мощность будет создаваться посредством основной газовой горелки (2) двигателя (1) при установке ее на минимальный выход.

Предлагаемое автономное устройство энергоснабжения может работать в следующих режимах:

1. Потребление электрической энергии в нагрузку (8) только от линейного генератора (3), когда инвертор (5) выполняет функцию источника опорного напряжения для общей шины переменного тока (6).

2. Потребление электрической энергии в нагрузку (8) от линейного генератора (3) и инвертора (5) одновременно при скачкообразном увеличении нагрузки. При этом инвертор (5) отдает дополнительную мощность в общую шину (6), потребляя энергию аккумуляторной батареи (4).

3. Потребление электрической энергии в нагрузку (8) от генератора (3) и заряд аккумуляторной батареи (4) частью мощности генератора (3).

4. Потребление электрической энергии от генератора (3) в полезную нагрузку (8) и балластную нагрузку (9) при скачкообразном сбросе полезной нагрузки.

5. Потребление тепловой энергии тепловой нагрузкой, при сбросе которой включается в работу аварийный охладитель (14).

Таким образом, созданная микро-ТЭЦ с возможностью выработки тепла и электричества согласно настоящему изобретению полностью автономна и обладает улучшенной динамической устойчивостью системы при переходных режимах, возникающих при скачках электрической или тепловой нагрузок.

Вышеприведённое описание поясняет и никоим образом не ограничивает настоящее изобретение. Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на примерный вариант осуществления, следует понимать, что пояснения, использованные в данном документе, являются иллюстрационными, а не ограничивающими. Изменения могут быть сделаны в пределах компетенции прилагаемой формулы изобретения. Хотя настоящее изобретение описано в данном документе со ссылкой на конкретные средства, материалы и варианты осуществления, настоящее изобретение не ограничивается частностями, раскрытыми в данном документе; скорее, настоящее изобретение распространяется на все функционально эквивалентные структуры, способы и применения, находящиеся в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.

1. Автономная микро-ТЭЦ на газовом топливе с использованием свободнопоршневого двигателя Стирлинга, которая обеспечивает тепловую и электрическую энергию, включающая:

- модуль электрогенерирующего устройства (18), в состав которого входит двигатель Стирлинга (1), основная газовая горелка (2) для подвода тепловой энергии к головке двигателя (1), синхронный линейный генератор с постоянными магнитами (3), интегрированный в корпус двигателя (1), настроечная резонансная емкость (11) на выходе линейного генератора (3) и система охлаждения (10) двигателя (1);

- модуль преобразовательной силовой электроники (19), в состав которого входит инвертор (5), выпрямитель (7), накопитель электрической энергии (4) и общая шина переменного тока (6), к которой подключена настроечная емкость (11) модуля электрогенерирующего устройства (18);

- модуль теплогенерирующего устройства (20), в состав которого входит теплогенератор (12), дополнительная газовая горелка (13) и аварийный охладитель (14);

- модуль регулируемой балластной нагрузки (9), подключенный к общей шине переменного тока (6) модуля преобразовательной силовой электроники (19);

- систему автоматического управления (17), сигналы которой обеспечивают управление вышеуказанными модулями (18), (19), (20), (9), выполненную с возможностью контроля тока и напряжения линейного генератора (3), температуры тепловой головки двигателя Стирлинга (1) и управления включением линейного генератора (3) в функции температурного режима тепловой головки двигателя Стирлинга (1).

2. Автономная микро-ТЭЦ по п.1, отличающаяся тем, что накопителем электрической энергии (4) является аккумуляторная батарея.

3. Автономная микро-ТЭЦ по п.2, отличающаяся тем, что аккумуляторная батарея подключена на вход инвертора (5) и выход выпрямителя (7), а выход инвертора (5), вход выпрямителя (7) подключены к общей шине переменного тока (6).

4. Автономная микро-ТЭЦ по п.1, отличающаяся тем, что полезная электрическая нагрузка (8) подключена к общей шине переменного тока (6) модуля преобразовательной силовой электроники (19).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для преобразования энергии магнитного поля постоянных магнитов в электроэнергию. Технический результат состоит в увеличении мощности линейного электрогенератора при использовании его с ручным приводом.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – повышение надёжности конструкции, снижение её массы.

Способ уменьшения сопротивления магнитного потока воздушного зазора между якорями линейного электрогенератора свободнопоршневого энергомодуля с внешней камерой сгорания достигается следующим образом.

Изобретение относится к области электромашиностроения, в частности к индукторам линейных магнитоэлектрических генераторов с возбуждением от постоянных магнитов.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам двигатель-генератор, и может быть использовано при проектировании и производстве источников переменного электрического тока.

Изобретение относится к электротехнике, к устройствам, вырабатывающим электроэнергию с использованием магнитных средств. Технический результат заключается в повышении к.п.д.

Использование: в области связи. Технический результат - повышение надежности и ресурса средства связи за счет предотвращения быстрого разрушения постоянных магнитов электрогенератора.

Изобретение относится к электротехнике, к производству электрической энергии и может быть использовано в устройствах с автономным питанием, размещаемых на движущихся объектах.

Изобретение относится к области производства электрической энергии и может быть использовано в устройствах с автономным питанием, размещаемых на движущихся объектах.

Изобретение относится к электротехнике, и может быть использовано в автономных системах электроснабжения. Технический результат состоит в повышении к.п.д.

Изобретение относится к энергетике. Генерирующая установка содержит двигатель Стирлинга с электрогенератором на одном валу, систему охлаждения двигателя Стирлинга и нагреватель двигателя Стирлинга.

Изобретение относится к области энергомашиностроения. Способ пневматического привода двухклапанного газораспределителя свободнопоршневого энергомодуля с общей внешней камерой сгорания состоит в следующем.

Изобретение относится к области энергомашиностроения. Способ пневматического привода двухклапанного газораспределителя свободнопоршневого энергомодуля с общей внешней камерой сгорания состоит в следующем.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к мотокомпрессорам со свободно движущимися поршнями. Свободнопоршневой мотокомпрессор состоит из 2-12 блоков цилиндров, закрепленных на общей раме (1).

Изобретение относится к области энергомашиностроения. Способ управления температурой поршневых групп и цилиндров свободнопоршневого с внешней камерой сгорания энергомодуля с приводом насоса системы охлаждения сжатым воздухом состоит в следующем: при действии энергомодуля в момент времени, когда в камеру сгорания энергомодуля поступит масса сжимаемого в компрессорных полостях поршней энергомодуля воздуха, система управления энергомодуля открывает клапан подачи воздуха на турбину из компрессорных полостей поршней энергомодуля, воздух поступает на турбину и приводит турбину во вращение.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам двигатель-генератор. Электрический генератор содержит верхний 2 и нижний 3 неподвижные поршни.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с гидравлическим приводом и может быть использовано для выработки электроэнергии и тепла. Гидродвигатель содержит два рабочих цилиндра 1, 2, состоящих из соосно расположенных внутреннего 3 и внешнего 4 цилиндров.

Изобретение относится к области теплоэлектроэнергетики и предназначено для обеспечения потребностей в тепле и электроэнергии в производственных и жилых помещениях при отсутствии электропитания от сети. Техническим результатом является повышение надежности и эффективности установки путем улучшения динамической устойчивости системы при переходных режимах, возникающих при скачках электрической или тепловой нагрузок, а также повышение КПД. Сущность изобретения заключается в том, что устройство включает модуль электрогенерирующего устройства, в состав которого входит двигатель Стирлинга, основная газовая горелка для подвода тепловой энергии к головке двигателя, синхронный линейный генератор с постоянными магнитами, интегрированный в корпус двигателя, настроечная резонансная емкость на выходе линейного генератора и система охлаждения двигателя ; модуль преобразовательной силовой электроники, в состав которого входит инвертор, выпрямитель, накопитель электрической энергии и общая шина переменного тока, к которой подключена настроечная емкость модуля электрогенерирующего устройства ; модуль теплогенерирующего устройства, в состав которого входит теплогенератор, дополнительная газовая горелка и аварийный охладитель ; модуль регулируемой балластной нагрузки, подключенный к общей шине переменного тока модуля преобразовательной силовой электроники ; систему автоматического управления, сигналы которой обеспечивают управление вышеуказанными модулями,,,, выполненную с возможностью контроля тока и напряжения линейного генератора, температуры тепловой головки двигателя Стирлинга и управления включением линейного генератора в функции температурного режима тепловой головки двигателя Стирлинга. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Наверх